可渗透反应墙对重金属离子Pb2Cd2吸附效果的试验研究

第30卷第1期　　　　　　　　　　　　　　　Vol.30,No.12016年2月MINERALRESOURCESANDGEOLOGYFeb.,2016■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■可渗透反应墙对重金属离子Pb2+、Cd2+吸附效果的试验研究林达红1,2,3,徐文炘1,2,3,张　静1,2,3,肖筱瑜1,2,3,黎　朝1,2,3(1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西桂林　541004;2.广西环境污染控制理论与技术重点实验室,广西桂林　541004;3.广西环境治理工程技术研究中心,广西桂林　541004)摘　要:以受尾矿库渗滤液重金属离子Pb2+、Cd2+污染的地下水为研究对象,用天然矿物材料红辉沸石与膨润土作为反应渗透墙(PRB)的活性介质填充材料,试验结果表明,膨润土∶红辉沸石=1∶7,PRB渗透系数处于10-4cm/s数量级且随时间下降最为缓慢;PRB对单一组分Pb2+和单一组分Cd2+去除率分别达99.95%和99.995%;但在双组分PRB体系中,重金属离子Pb2+的存在显著地抑制了PRB对Cd2+的吸附作用,优先选择性吸附顺序是Pb2+Cd2+。关键词:反应渗透墙;重金属;渗透系数;红辉沸石;膨润土中图分类号:X523　　文献标识码:A　　文章编号:1001-5663(2016)01-0132-030　前言反应渗透墙(PermeableReactiveBarrierPRB)作为一种原位修复技术,用于处理尾矿库渗漏产生的重金属污染问题,对污染场地的水文地质条件要求高,首先PRB的原位安装不能影响污染场地的水文地质条件,这要求PRB渗透系数是场地含水层渗透系数的2倍以上甚至更多。天然矿物材料资源丰富、价格低廉及污染少,如粘土矿物膨润土,具有较大的离子交换及吸附能力,被广泛地应用于重金属废水处理中[1-6]。利用天然矿物材料作为PRB的活性介质材料原位修复重金属污染地下水,需要在维持PRB系统稳定的渗透性能和保证重金属净化效果之间寻求平衡点。本文用天然矿物材料作为PRB系统的活性介质填充材料,开展了混合介质材料配比条件试验,确定PRB的渗透系数,并通过试验研究其对模拟受尾矿库渗漏液污染的地下水中重金属的去除效果。1　材料与方法1.1　试验材料本试验材料为红辉沸石和膨润土等矿物材料,化学成分分析见表1。其他试剂:硝酸铅、硝酸镉。铅标准贮备液的配制:称取硝酸铅0.1598g,用水溶解后,移入1000mL容量瓶中,用水稀释至标线,制成100mg/L的铅标准储备液。镉标准贮备液的配制:称取硝酸镉0.2744g,用水溶解后,移入1000mL容量瓶中,用水稀释至标线,制成100mg/L的镉标准储备液。表1　矿物材料的化学成分分析(%)Table1　Chemicalcomponentanalysisofmineralmaterials(%)样品SiO2TiO2Al2O3Fe2O3FeOMnOCaOMgOK2ONaOP2O5烧失量H2O+红辉沸石61.510.05811.980.010.100.0227.160.0280.120.0820.004215.8714.55膨润土67.420.0913.382.080.050.021.392.840.520.320.01511.317.06收稿日期:2015-10-10基金项目:广西科学研究与技术开发计划项目“典型岩溶型尾矿库重金属污染阻隔净化技术示范”(桂科重1298002-7)、“广西特聘专家”专项经费资助。作者简介:作者简介:林达红(1983-),女,硕士,工程师,主要从事环境污染治理及矿物材料应用工作。E-mail:[e-mail]引文格式:林达红,徐文炘,张静,等.可渗透反应墙对重金属离子Pb2+、Cd2+吸附效果的试验研究[J].矿产与地质,2016,30(1):132-134.1.2　试验方法采用室内模拟可渗透反应墙方法,在室温条件下,根据设定的水力梯度,按配比将可渗透反应墙活性填料混合均匀后装入内径为3cm,高为50cm的玻璃柱,反应介质上层及底层铺厚2~3cm石英砂层,入水方式为从上往下渗流,柱下设出水口,用量筒收集滤出液,测定滤出液体积并计算PRB的渗透系数,公式如下[7]:K=Q·LΔT·ΔH·A式中:K-渗透系数(cm/s)△T-计时时间间隔(s)Q-△T时间内渗透流体体积(cm3)A-反应柱的截面积(cm2)L-反应介质的高度(cm)△H-水头差(cm)在PRB介质材料配比确定基础上,分别配制初始浓度为20mg/L的单组分及双组分模拟重金属污染的地下水,pH值为7,从上往下渗流,每隔1d检测PRB出水中重金属离子Pb2+和Cd2+的质量浓度,检测由有色金属桂林矿产地质测试中心完成,铅的检出限为0.01mg/L,镉的检出限为0.001mg/L。根据初始浓度与剩余出水浓度之间的浓度差计算出Pb2+和Cd2+去除率。2　结果与讨论2.1　介质材料配比的确定在室温条件下,根据设定的水力梯度,PRB活性介质材料膨润土与红辉沸石按1∶17、1∶10、1∶7、1∶5比例混合均匀后分别装PRB反应柱,考察不同介质材料配比对PRB渗透性能的影响,不同配比混合反应介质与PRB渗透系数的关系曲线见图1。图1　不同配比混合反应介质与PRB渗透系数的关系曲线Fig.1　RelationcurveofdifferentproportionsofreactionmediaandpermeabilitycoefficientofPRB　　由图1可以看出,4个PRB反应柱的渗透系数随着时间的增大呈缓慢的下降趋势,PRB反应柱(1∶17)渗透系数为1.18×10-5~1.55×10-5cm/s,PRB反应柱(1∶10)渗透系数为7.9×10-4~1.22×10-5cm/s,PRB反应柱(1∶7)渗透系数为4.0×10-4~6.2×10-4cm/s,PRB反应柱(1∶5)渗透系数为3.2×10-4~5.7×10-4cm/s。选取渗透系数处于10-4cm/s数量级且下降最为缓慢的配比,即膨润土:红辉沸石=1∶7,作为PRB反应柱的混合反应介质材料。2.2　可渗透反应墙对单组分Pb2+、Cd2+去除效果模拟受尾矿库渗漏液单一组分重金属离子Pb2+和Cd2+污染的地下水,初始浓度均为20mg/L,pH值为中性条件,考察PRB对单一组分重金属离子Pb2+和Cd2+去除率随时间的变化规律,试验结果如图2所示。图2　PRB对Pb2+和Cd2+去除率随时间的变化曲线Fig.2　VariationcurvesofremovalratesofPb2+andCd2+overtimebyPRB由图2可以看出,试验期间,PRB对单一组分重金属离子Pb2+和单一组分重金属离子Cd2+具有很好的去除效果,检测出水中Pb2+的质量浓度均低于检出限0.01mg/L,Cd2+的质量浓度均低于检出限0.001mg/L,按检出限计,Pb2+去除率达99.95%,Cd2+去除率达99.995%。由此可见,应用PRB技术原位处理受单组分重金属离子Pb2+或Cd2+污染的地下水是可行的。2.3　可渗透反应墙对双组分Pb2+和Cd2+去除效果模拟受尾矿库渗漏液重金属离子Pb2+和Cd2+污染的地下水,初始浓度均为20mg/L,pH值为中性条件,考察了PRB对重金属离子Pb2+和Cd2+去除率随时间的变化规律,试验结果如图3所示。由图3可以看出,试验期间,PRB对重金属离子Pb2+具有很好的去除效果,检测出水中Pb2+的质量浓度均低于检出限0.01mg/L,按检出限计,去除率331　第30卷　第1期　　　　　　　林达红等:可渗透反应墙对重金属离子Pb2+、Cd2+吸附效果的试验研究图3　PRB对Pb2+和Cd2+去除率随时间的变化曲线Fig.3　VariationcurvesofremovalratesofPb2+andCd2+overtimebyPRB达99.95%;在开始运行的前3d,PRB对重金属离子Cd2+具有很好的去除效果,去除率达99.80%,而3d后,PRB对Cd2+的去除率逐渐下降,第4d由99.80%下降至96.25%,第5d下降至89.80%,第6d下降至86.80%,第7d下降至80.45%。由此可知,重金属离子Pb2+的存在显著地抑制了PRB对Cd2+的吸附作用,而对Pb2+几乎没有影响。矿物材料作为PRB活性介质材料用于去除高浓度双组分重金属离子Pb2+和Cd2+具有优先选择性,结果表明,在同一离子浓度条件下,Pb2+和Cd2+之间的竞争吸附发生在PRB开始运行的第3d,它们被优先选择的顺序是Pb2+Cd2+。原因在于金属元素的电负性是决定痕量金属元素是否被优先选择的重要因素,电负性愈大的金属元素与矿物表面或内部的氧原子形成共价键愈强[8],Pb2+电负性为1.8,Cd2+的电负性为1.7,Pb2+电负性大于Cd2+的电负性,在Pb2+、Cd2+共存时,以红辉沸石和膨润土作为活性介质材料的PRB对Pb2+优先选择吸附。3　结论(1)用天然矿物材料红辉沸石与膨润土作为(PRB)的活性介质填充材料,膨润土∶红辉沸石=1∶7,PRB渗透系数处于10-4cm/s数量级且随时间下降最为缓慢。(2)PRB对单一组分Pb2+和单一组分Cd2+具有很好的去除效果,Pb2+和Cd2+去除率分别达99.95%和99.995%;但在双组分PRB体系中,在同一离子浓度条件下,重金属离子Pb2+的存在显著地抑制了PRB对Cd2+的吸附作用,而对Pb2+几乎没有影响,Pb2+和Cd2+之间的竞争吸附发生在PRB开始运行的第3d,优先选择性吸附顺序是Pb2+Cd2+。参考文献:[1]　何宏平,郭九皋,谢先德,等.蒙脱石等粘土矿物对重金属离子吸附选择性的实验研究[J].矿物学报,1999,19(2):231-235.[2]　徐玉芬.粘土矿物对废水中Cu2+、Cd2+、Cr3+的吸附实验研究[J].矿产综合利用,2008,6(3):28-30.[3]　肖利萍,潘纯林,邓特钢.膨润土在水处理中的应用研究与展望[J].水资源与水工程学报,2010,21(4):28-32.[4]　胡振琪,杨秀红,高爱林.粘土矿物对重金属镉的吸附研究[J].金属矿山,2004(6):53-55.[5]　MATHIALAGANT,VIRARAGHAVANT.Adsorptionofcadmiumfromaqueoussolutionsbyvermiculite[J].SeparationScienceandTechnology,2003,38(1):57-76.[6]　LIMAP,ARISAZ.Areviewoneconomicallyadsorbentsonheavymetalsremovalinwaterandwastewater[J].ReviewsinEnviron-mentalScienceandBio/Technology,2014,13(2):163-181.[7]　闻德荪.工程流体力学[M].北京:高等教育出版社,1991.[8]　MCBRIDEMB.Environmentalchemistryofsoils[M].OxfordUniversityPress,1994.AnexperimentalstudyontheabsorptioneffectofpermeablereactivebarrieronheavymetalionsPb2+andCd2+LINDahong1,2,3,XUWenxin1,2,3,ZHANGJing1,2,3,XIAOXiaoyu1,2,3,LIZhao1,2,3(1.ChinaNonferrousMetals(Guilin)GeologyandMiningCo.,Ltd.,Guilin541004,Guangxi,China;2.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionCon